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tags: WDM, HSNL, NCKU
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# WDM Optical Network Architectures
contributed by <`RusselCK` >

###### tags: `RusselCK`
## 先備知識
1. (Wavelength) 波長 = 傳輸通道
* 一個波長同一時間只能給一個人使用
2. 光 傳輸無法得知 訊息內容
* 需要 **光轉電** 才能讀取內容
3. **Single-hop** : 一段 **全光** 傳輸的路程
* 中途無 O/E/O
* multi-hop : 多段 single-hop
:::warning
* single-hop $\neq$ 1 條 fiber link
:::
## Broadcast-and-select networks


### 配置
* **Star Coupler** (耦合器)
* 架構簡單的 被動元件
* <font color = red>負載中心</font>
* 每個 node 至少有一個 **Transceiver**
> Transmitter + Receiver

:::success
* Coupler 的組成 : combiner + spliter


1. Splitter : 將光分成兩份
* 分支的光強度較分之前弱
2. Combiner
3. Coupler
:::
:::info
* Transceiver 種類:
1. Fixed transceiver <font color =red>(Broadcast-and-select networks 不能使用)</font>
* 只接收 固定波長
* 價格最便宜
2. Fixed-tuned transceiver
* offline 狀態可以調整波長
* online 狀態只能使用固定波長
3. Tunable transceiver
* 任何狀態都能調整波長
:::
### NxN Star Coupler
假設 $N$ is power of 2 (i.e. $N=2^k, k=0,1,2,...$)
#### way I

> N = 8
> 12 couplers
* $log_2N$ stages
* $\frac{N}{2}$ couplers/staget
* ==$\frac{N}{2}log_2N$== = #of couplers = #of combiners = #of spliters
:::warning
* 有些 combiner 和 spliters 是多餘的
:::
#### way II
> N =8
> 7 combiners + 7 spliters
* ==$N-1$== = #of combiners = #of spliters
### 使用方式
1. nodes :
* 事先協調好所有接收端各自要使用的波長
* 調整 transmitters 及 receivers
* transmitters 傳遞 message
2. Star Coupler :
* 結合所有 message
* 將結合的 message 廣播 給所有 nodes
3. nodes :
* receivers 在收到的 message 中，selects 想要的波長，得到想要的 message

### 優點
* 配置簡單
* Natural **multicasting** (群播) capability
* 傳輸過程不需要 檢查內容
* 省略 O/E/O 的過程
### 缺點
* receivers 有能力可以看到別人的 message
* 資安問題
* 需要大量的 wavelengthes
* 一人要用一個 波長
* NO wavelength reuse
* 無法傳遞太長的距離
* 由於 spliter，光強度會越分越弱

### 問題與解決
#### 問題
1. Transmission collision
* 波長選擇沒有協調好，導致多個人使用同一個波長
3. destination conflicts
* 若要接收的 message 太多，Reciever 會不足
#### 解決
* medium access control protocol

## Wavelength-routed networks

### 配置
Topology (MIMO)
* Vertex (routing node) : ==WXCs==
* 每個 routing node 有一組 **Transceivers**
* Edge : fiber links

:::success
* Wavelength Cross Connect, WXC

* 同一種 wavelength 由同一個 Optical switch 處理
* #of input 不一定和 #of output 相同
* #of switch = #of wavelength = #of channel
:::

### 使用方式
* message 經由 一條 **wavelength-continuous route** 到達目的地
> lightpath
* single-hop
* all-optical communication path
* 整段路至少要有一個閒置的波長
* same wavelength throughout the route
* Wavelength routing
* ==Routing and Wavelength Assignment, RWA==
### 優點
* NO O/E/O conversion
* NO buffer at nodes
* NO splitting
* 路徑明確，不用廣播
* wavelength reuse
* 若沒有 commom link，則可配置相同的 wavelength

### 限制
* Wavelength continuity
* physical path ( R )
* wavelength (WA)
* Distinct wavelenght assignment
* 若有 common link，則不能配置相同的 wavelength

## Linear lightwave networks

### 配置
* 以 ==wavebands== 為單位
* a group of wavelengths

### 使用方式


### 限制

1. Insparability (不可分割性)
* 同一個 waveband 的 wavelengths 要集體行動
:::success
* 解決方式 : **Splitting**


* Side Effect :
1. 只有 End nodes 知道哪一條 wavelength 才是真正有用的
2. Forrtuitous (錯覺的) destination
* 上圖的 虛線
3. Color clash
* 路徑選擇要考慮更多 (複雜度增加)
:::
2. Distinct source combining
* 若 A 被 split 成 A~1~、A~2~，則 A~1~、A~2~ 之後不可以 combine

## 習題
### Q10.
Consider the following MAC protocol for single-hop broadcast-and-select networks:
* each node transmits on an unique fixed wavelength, diffrent from the other nodes
* each node uses a tunable filter to select one among all the different wavelengths for reception
* a control channel shared by all the nodes,in which **each node is assigned a time slot for transmission**
* 同一時間只有一個 node 傳 header
* A node transmits the packet header in its assigned time slot on the **control channel** and follows this by transmitting the actual packet on its **data channel**.
* After listening to the packet header on the control channel, the intended receiver tunes to the appropriate channel to receive the packet."

Can collisions occur here? Suggest a way to deal with destination conflicts.
### A10.


:::warning
- [ ] wavelength? channel ?
:::
#### 問題分析
依據題目，所有 node 共用 Control Channnel ，
且 每個 node 都有屬於自己的 time slot 可以傳 header
(即 在該 time slot ，只會有一個 node 傳輸東西 )
假設 Control Channnel 在固定的 波長 上運作
(即 每個 node 都會在同一個 波長上 傳 header )

假設 資料 從 Star Coupler 到 任意 node 所需時間都相同 (反之亦然)
由於 Broadcast 的特性，從某個 node 傳出的 header，應該會同時到達 其他的 node
假設 每個 node 解析 header 的時間相同，解析完後調整接收波長的時間也相同

若 header 傳輸後，只有 payload 緊接在後傳遞
那麼，payload 只要在接收端的 node 調整完後抵達，便可成功傳遞資料
* 此種 case 跟 同一時間只能有一個人傳給另一個 是一樣的

若 header 傳輸後，還有另一個 node 傳輸 header，
那麼，因為第一個 header 而改變 接收波長 的 node ，會錯過 第二個 header 的資料，之後有可能會錯過 應該接收的 payload

#### 解決方式
1. 退化到 同一時間只能有一個人傳給另一個
2. 每個 node 至少配置 2 個以上的 Receivers
* 一個 專門收 Control channel 的 header
* 其餘的 專門收 Data Channel 的 payloads
* 越快根據 header 而調整，越能避免浪費時間解析沒用到的 波長
* Receivers 越多，錯過應該接收的 payloads 的機會越低
### Q14.
What factors limit throughput in the following networks
1. broadcast-and-select network
2. wavelength routed network
3. linear lightwave network

### A14.
1. broadcast-and-select network
* NO wavelength reuse
* cannot span long distance
* Transmission collision
* destination conflicts
2. wavelength routed network
* Wavelength continuity
* Distinct wavelenght assignment
3. linear lightwave network
* Insparability
* Splitting Side Effect
* 只有 End nodes 知道哪一條 wavelength 才是真正有用的
* Forrtuitous (錯覺的) destination
* Color clash
* Distinct source combining